空间尘粒微损收集新技术的探讨

吴庆霄，李丹明，代　鹏（兰州空间技术物理研究所 空间环境材料行为与评价技术国防科技重点实验室，兰州　730000）

空间尘粒微损收集新技术的探讨

吴庆霄，李丹明，代鹏
（兰州空间技术物理研究所 空间环境材料行为与评价技术国防科技重点实验室，兰州730000）

阐述了空间尘粒微损收集的基本概念、意义及相关定义，对微损或柔性收集技术的国内外研究与应用现状进行了归纳。提出了对于空间尘粒进行微损收集的一种新技术设想，介绍了其基本工作原理，针对作为收集器探头核心的缓冲介质材料进行了设计与选用的分析方法研究，在理论分析基础上选择了适用的数值模拟算法—光滑质点流体动力学（SPH）法，为进一步的研究工作提供了基础理论依据与基本分析方法。

空间尘粒；微损收集；材料设计与选用

0　引言

空间尘粒（Cosmic Dust）包括微小空间碎片和微流星体［1-2］。虽然这些尘粒与空间运行中的飞行器的碰撞并不能使飞行器完全破坏，但是对航天器的传感器、太阳能电池板等器件，尤其是光学器件会产生影响其功能的沙蚀现象。空间尘粒微损收集，指通过一定的探测手段能够获得空间尘粒的样本，同时获得的尘粒形状不因碰撞而产生较大程度的改变。

对空间尘粒进行微损收集的意义在于可以通过返回卫星直接加载捕获器获得空间尘粒的样本，有助于空间物理和天文学的研究；可以为空间对微小非合作目标的机动捕获提供技术基础，有利于发展空间碎片的捕捉与清除技术，为抑制威胁航天器安全的空间碎片的迅猛增长提供一种潜在应用的技术手段，可用于空间材料学的研究。

1　相关技术发展现状

空间尘粒的收集载荷一般是采用缓冲收纳入射的空间尘粒。主要包括两种比较常见的方式：一种是空间暴露试验；另一种是使用缓冲材料进行空间尘粒收纳的装置。暴露试验主要有两种：一种是对返回航天器上的器材进行分析；另一种是专门的长期暴露装置。

对返回航天器上的器材进行空间尘粒的撞击分析由来已久，很多在轨时间较长的大型航天器再返回后都进行了大规模的空间尘粒撞击分析，如哈勃望远镜的太阳能电池板和和平号空间站的太阳能电池板等。地面工作人员通过对这些太阳能电池的分析获得了大量空间尘粒对太阳能电池撞击作用的信息。

长期的大型暴露装置是另一种较为常用的观测手段。美国就曾经使用长期暴露装置（LDEF）在高度450 km的轨道上运行69个月，在被航天飞机回收带回地球之后，通过对安装在其不同方向上的6个外面板上的目标材料进行分析，获得了大量有关空间环境中的尘粒信息［1，3］。ESA于1993年回收的EURECA航天器上也装载了专门的暴露装置，在500 km轨道上运行了324天后，技术人员同样在上面获得了大量有关空间尘粒的信息，太阳能电池也提供了相应的空间尘粒信息［4］。

空间尘粒的收纳装置相对来说比较少，主要原因在于收纳的缓冲材料体积较大，其他载荷相对难以搭载，需要返回式的航天器成本较高。但是其优点也是较为突出的，首先收集尘粒的环境具有针对性，其次获得的空间尘粒的损失相对较小，并且可以辅以其他手段对空间尘粒的各项特性进行在轨分析等。

空间尘粒收纳装置非常典型的例子是美国的“星尘号”飞船任务。飞船上面选用了专门的机构用于收集对应轨道空间环境的空间尘粒，采用铝箔包覆气凝胶单元格的方式对射入的空间尘粒进行缓冲收纳，并将探测器分为两部分：一部分收纳81P/Wild2彗星的彗星尘；另一部分收集特定轨道上的空间尘粒。这次任务获得了大量空间环境信息和彗星成份信息，到目前还没全部完成分析和研究［5］。

除此之外，更多空间尘粒的信息是通过空间收纳与电磁方法、超声方法、射线探照等其他手段结合来获得的［6］。典型的就是压电探测器、撞击电离探测器和半导体探测器等。

压电型探测器是通过压电材料受到空间尘粒的高速冲击从而产生的力学响应的电信号，测量电路通过分析信号可以获得空间尘粒的速度质量等信息。选用的压电材料如果是PVDF材料，就有响应时间短，在空间环境的温度中使用寿命较长，抗辐照性能出色，不影响再次测量等特性［7］。

撞击电离型探测器是通过对撞击过程产生的电离变化进行探测来对入射的空间尘粒进行分析的仪器。以等离子体探测器为例，基本原理是当空间尘粒高速入射，与纯金靶心发生碰撞时，巨大的动能产生等离子体云，通过对等离子体云的测量，来获得空间尘粒的信息。这类探测器灵敏度很高，相应的误差也很大，面积有限结构也复杂［8］。

半导体型探测器的工作原理是通过金属-氧化物-半导体（MOS）材料制作的场效应晶体管在受到高速空间尘粒撞击穿透后，电容的变化来使得原本具有的偏置电压在电路中产生相应的电流，从而获得空间尘粒的入射信息。主要缺陷在于这样的材料抗辐照能力比较一般，寿命不会很长［9］。

上述的探测方法都是很常用的空间尘粒探测手段，但是和空间尘粒微损收集的方式相比，还是具有信息获得不直接，探测的空间尘粒由于碰撞破碎导致的信息损失巨大，或者因为撞击破碎产生的二次碎片干扰探测等缺陷。有鉴于此，空间尘粒微损收集技术是值得深入研究和付诸实践的。

2　空间尘粒微损收集的基本原理

空间尘粒和飞行器的相对速度很大，在300～500 km高度的轨道上，空间尘粒和航天器的相对速度可以达到2～15 km/s［10］。在碰撞中获得较为完整的空间尘粒个体具有相当大的困难，因此在传统的空间尘粒探测中普遍对空间尘粒获得方式对其原始形状的影响不予考虑。在了解国内外相关技术发展现状的基础上，文章探索性的提出了对空间尘粒进行微损收集的设想，而材料科学技术近年来的发展也为其技术的可行性提供了有力支持。

空间尘粒微损收集器探头主要由缓冲介质材料、包封壳体以及感应线圈组成。空间尘粒微损收集原理基本过程是某一空间尘粒向收集器运动，以某一相对速度击中探头，穿入缓冲介质材料后逐渐减速（假定经过探头位置调节可以使微粒垂直穿入），最终停留在介质材料内部，探头的基本结构如图1所示。

图1　空间尘粒微损收集原理图

对于本身带有电荷或者经摩擦而荷电的尘粒，其在缓冲介质材料中的运动过程可以通过在感应线圈中产生的电磁感应信号来感知。

在该种微损收集空间尘粒的方法中，缓冲介质材料的选择是最为关键的技术。材料特性决定了微损收集的性能，是支持该方法可行性的重要基础，也是探测器整体结构设计的依据，因而重点对收集器探头中缓冲介质材料的选择方法进行分析研究。

3　缓冲介质材料的选用分析方法研究

目前，在前期的探索性研究中，针对缓冲介质材料的设计或选用，开展数值模拟分析工作是必经有效的技术途径。缓冲介质材料选用分析的技术图如图2所示。

图2　缓冲介质材料选用分析方法及路线图

3.1缓冲介质材料类型的选择

缓冲介质材料的选择是这个模拟仿真设计的重要组成部分，需要通过文献报道选定最初的模拟方案，并在后续的模拟过程中，通过计算结果调整所需要的材料性能参数。

常见的空间尘粒收集材料包括金属铝箔、气凝胶等。空间尘粒对介质的冲击如图3、4所示［5］。相对而言，气凝胶和金属铝箔相比更加柔软，空间尘粒入射深度更长，相应受到的单位时间内冲击也较弱，更适合作为空间尘粒微损捕获的介质。

图3　气凝胶在高速空间尘粒入射下的形貌图

纯铝的屈服强度在20～90 MPa，杨氏弹性模量大约在7×104MPa，相较之下，气凝胶的应力应变曲线［10］，如图5所示，显示当单轴压缩的应变高达60%时，其对应应力仍然在几兆帕到几十兆帕的数量级。不同材质的气凝胶的力学性能也有很多差异，文献经常报道的硅气凝胶也由于合成材料不同，配比不同，改性操作的不同，展现出适应不同环境的力学性能［11］。

缓冲材料的性能需要满足能够使缓冲过程不会对空间尘粒造成较大的破坏，同时还要尽量缩短缓冲距离，从而减少所需要的载荷尺寸。除此之外，还要在此基础上研究缓冲材料的空间环境耐受能力等［12］。

图4　金属铝箔的高速尘粒撞击坑图

图5　弹性气凝胶的应力应变曲线图

3.2数值模拟算法的选用

超高速撞击实验的速度限制及费用比较高，超高速撞击数值模拟成为研究的有效方法，常用的方法有欧拉（Euler）、拉格朗日-欧拉耦合（ALE）以及光滑质点流体动力学（SPH）法等。欧拉法难以跟踪界面位置，具有计算时间长，强度、失效、状态和位移历程关系计算精度差等缺点。拉氏法当网格变形严重时需要网格重分，引入侵蚀算法可以很好的加以解决。SPH法更适合超高速撞击的大变形、高应变率现象的数值模拟。鉴于空间尘粒的高速度和选用的接纳材料气凝胶的超弹性材料特性，数值模拟过程选用了光滑质点流体动力学法。

光滑质点流体动力学法是最近20多年来逐步发展起来的一种无网格方法，该方法的基本思想是将连续的流体（或固体）用相互作用的质点组来描述，各个物质点上承载各种物理量，包括质量、速度等，通过求解质点组的动力学方程和跟踪每个质点的运动轨道，求得整个系统的力学行为。这类似于物理学中的粒子云模拟，从原理上说，只要质点的数目足够多，就能精确地描述力学过程。虽然在SPH方法中，解的精度也依赖于质点的排列，但对点阵的排列要求远远低于网格的要求。由于质点之间不存在网格关系，因此可以避免极度大变形时网格扭曲而造成的精度破坏等问题，并且也能较为方便的处理不同介质的交界面。SPH方法的优点是一种纯Lagrange方法，能避免Euler描述的欧拉网格与材料的界面问题，因此特别适合求解高速碰撞等动态大变形问题［13］。

针对微粒穿入材料动态过程的数值模拟算法的步骤为：（1）建立模型，包括尘粒和探头的尺寸两个部分，由于尘粒相对于探头尺寸很小，尘粒与探头接触的部分要对探头的网格划分进行细化，从而降低误差，提高精度；（2）材料设置，根据需要来设置材料的参数，包括尘粒弹性参数、塑性参数和失效参数、空间尘粒穿入过程的摩擦系数等；（3）接触关系，可以设置为通用接触，由于采用SPH方法，网格单元转化为质点单元在物理学概念上就发生了变化，因而需要设置额外的属性，比如接触厚度、网格单元和质点单元的接触连接等；（4）载荷设置，主要的载荷仅包括尘粒上的速度场，根据不同的探头厚度设置不同的分析时长，对尘粒的转动进行限制；（5）网格划分，SPH的转化设置包括转化条件、转化响应参数、转化点数、插值算法阶数，后面两者关系到计算的精度和计算量，前两个条件则是选择适用于SPH方法的计算区段与有限元算法相结合，是对算法分配方式的调整。

3.3SPH方法相关理论基础的应用

SPH（Smoothing Particle Hydrodynamics）方法是粒子只考虑移流项的无网格方法。按照Monaghan等提出的SPH分析方法把连续体假设为一群粒子的集合，并对每个粒子的状态进行分析。通过在临近的粒子上的一次插值法来计算。对于一组无序点的任意宏观变量进行积分插值计算，如式（1）：

对于不同的宏观变量（密度、加速度、重力等），有着不同的设置形式，从而求解方程获得宏观变量的相应值［14］。

3.4数值模拟输入条件的确定

主要研究对象是空间尘粒微损收集器探头中缓冲介质材料的性能，为此须对入射的空间尘粒参数限定一定的范围。输入条件主要包括三项：

（1）研究的空间尘粒与介质材料的相对速度范围定在1～10 km/s。空间碎片主要运行在圆轨道上，具有与同样轨道高度航天器一样的轨道速度，平均相对撞击速度接近9 km/s，最大相对撞击速度可达17 km/s；在椭圆轨道的空间碎片尺寸比较小且轨道倾角比较小，对航天器的相对碰撞速度比较低，平均撞击速度为4.5 km/s。一些微流星体和卫星的相对速度甚至可以超过70 km/s，若要微损捕获，整个飞行器的尺寸将会使运载系统难以承受。而要在短距离内减速，空间尘粒又会破碎，所以确定一个速度范围内的空间尘粒作为研究对象才是比较有实际意义的［9］。

（2）研究的空间尘粒的尺寸大小挑选直径在1～10 mm区间，空间尘粒的形状选择较为规则的几种如球、正六面体等。空间尘粒在不同尺寸和质量范围下，有明显的密度差异。质量小于10-6g的微流星体的平均密度为2 g/cm3，10-6～0.01 g的微流星体密度为1 g/cm3，质量大于0.01 g的微流星体密度为0.5 g/cm3。直径小于1 cm的空间碎片的平均密度为2.8 g/cm3。由于采用有限元的方法分割空间尘粒，因此尺寸会影响进入介质材料的部分受力过程和网格划分方式，所以在研究中，主要集中在尺寸1～10 mm的空间尘粒的运动过程上［10］。空间尘粒的形状不同，射入收纳介质材料的内部应力也不尽相同。故而空间尘粒的形状也是有必要考虑的，而鉴于空间碎片和微流星体形状的不规则性，作为仿真的假设形状也要考虑不同的几种，如正四面体、正六面体、薄片、圆球等。

（3）空间尘粒入射方向与介质材料的界面角度。在不同角度入射的条件下，空间尘粒的受力是不同的，同时受空间尘粒形状不同的影响，受力情况差别就更加巨大，但是本研究仅作可行性分析，所以优先做出径向入射情况下的数值模拟。条件允许则进一步分析其他入射角情况下的运动过程。

4　结论

空间尘粒微损收集器是一种新概念捕获式探测器，在对其探头中缓冲介质材料选用分析方法研究的基础上，后续将从工程实际出发，拟定材料，限定空间尘粒的体密度、体积、形状、速度、入射角等参数的范围，应用光滑质点流体动力学（SPH）方法，在Abaqus/CAE等有限元软件中进行微粒穿入材料动态过程的数值模拟计算分析。数值模拟计算与材料参数调整迭代进行，其结果将为缓冲介质材料的设计与选定提供较为准确的依据。

未来与空间微粒的发现、锁定和跟踪的技术能力相配合，将使在其运行轨迹上实现微损捕获成为可能。

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A NEW M ETHOD FOR COLLECTING COSM IC DUSTW ITH M INIMAL DAMAGE

WU Qing-xiao，LIDan-m ing，DAIPeng
（Scienceand Technology on M aterial Performance Evaluating in Space Environment Laboratory，Lanzhou Instituteof Physics，Lanzhou730000，China）

Thispaperexplains thebasic concepts，related definitionsand significanceabout the technique for collecting cosm ic dust w ith m inimal damage，and summarizes the latest research and application statues in this field.Herein，we propose a new method for cosmic dust collection，presenting itsworking principle.Meanwhile，we studied the analytical methods for the design and selection of the buffermaterialswhich are used tomake the core part for the collector probe.In addition，SPH（Smoothing Particle Hydrodynam ics）wasused to simulate the colleting process.The results provide the theoreticalbasisand fundamentalanalyticalmethod for future research in thisarea.

Cosm ic Dust；collection w ithm inimaldamage；materialdesign

V44

A

1006-7086（2016）04-0224-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.04.009

2016-03-31

吴庆霄（1990-），男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，主要从事空间环境效应及控制方。E-mail：fisker.ak47@163.com。